土星の「海の衛星」が宇宙に液体を絶えず噴出している理由

土星の第 6 衛星であるエンケラドゥスは、イギリスとほぼ同じ大きさで、何マイルもの厚さの氷に覆われています。その下には液体の海があり、南極の一連の亀裂から表面が噴き出し、絶え間なく間欠泉が宇宙に噴き出しています。その間欠泉には海底の噴気孔、塩水、さらにはメタンの痕跡も含まれており、真っ暗な海に生命が存在する可能性があることを示唆しています。

カリフォルニア大学デービス校の地球物理学者マクスウェル・ルドルフ氏は、月は太陽系の中ではユニークな存在だと語る。同氏が率いた、地球物理学研究論文誌に掲載された新たな研究では、「トラの縞模様」とそこから噴出する間欠泉について説明が提案されている。エンケラドゥスが軌道上で加熱・冷却されるにつれ、氷の地殻が圧力を受けて歪み、水が表面に向かって流れ出るようになる。

[関連: 土星にはドロドロした核と揺れる環がある]

加熱と冷却のサイクルは、月自体の動きによって駆動される。およそ 1 億年ごとに、土星の周りを回るエンケラドゥスの軌道の形状は、円形に近いものから楕円形に近いものへと変化し、またその逆に戻る。軌道が楕円形に近い場合、月は土星の重力によってさらにきつく締め付けられ、その後解放される。「これにより、まるでこねられているかのように、氷棚全体が引き伸ばされる」とルドルフは言う。氷がわずかに隆起するだけで、月全体が加熱され、氷の殻がわずかに溶ける。

その後、衛星の軌道が円形になると、地殻は再び冷える。氷棚は下方に広がり、隠れた海にまで達する。次に何が起こるかは、「ソーダのボトルを冷凍庫に入れたことのある人なら誰でも明らかだ」とルドルフは言う。「水が凍って氷になるときの体積変化によって圧力が高まります。[エンケラドゥスでは]これが地球規模で起こるのです。」

圧力が強くなりすぎると、パンの皮が内側の柔らかい部分が膨張して割れるのと同じように、外側の氷が割れる。氷が固まるまでには数百万年かかるが、亀裂は数秒で現れ、表面から始まって約9マイル下の地底海まで広がる。

亀裂は、氷が最も薄い極地でのみ海まで到達できる。「最初の亀裂が[エンケラドゥスの]北極で発生するか南極で発生するかは、ある意味偶然です」とルドルフ氏は言う。「しかし、いったん発生すると、一連の出来事が起こり、トラ縞模様の亀裂につながります」。このプロセスは、寒冷サイクルごとに繰り返し発生している可能性がある。

しかし、圧力だけでは間欠泉の現象を十分に説明できない。ルドルフ氏と彼のチームが実行したモデルによれば、新たに形成された氷をすべて使っても、水を表面に押し出すには不十分だという。また、エンケラドゥスの写真には、衛星の滑らかな外面から液体の水が溢れ出ているという特徴的な痕跡は写っていない。

ここで、ロチェスター大学の惑星科学者で、今回の研究には関わっていない中島美紀氏が説明したプロセスが作用するかもしれない。中島氏は2016年に、液体の水が氷の亀裂の一部を突き上げると、宇宙の真空中で自発的に沸騰し始める可能性があることを実証した。「表面の亀裂の厚さは分かっていますが、内部で何が起きているかはよく分かりません」と中島氏は言う。「直線になるかもしれませんし、奇妙な形になるかもしれません」。沸騰はどんなに狭い亀裂でも起こり得るので、蒸気がいずれにせよ漏れ出す可能性はある。

海につながる亀裂が 1 つあるだけでは、大量の水は湧き出ないだろう。亀裂の奥深くでは、水はおそらく沸騰しており、表面に立つ人は噴流ではなく、細かい霧に包まれるだろう。宇宙から人間が撮影した間欠泉は、多くのクレバスと管から生まれるはずだ。中島氏は、この説明が正しければ、天文学者がまだ十分に近づいて見ていない、エンケラドゥスのトラ縞模様よりも小さな亀裂がたくさんあると述べている。

他の力も働いている可能性がある。炭酸飲料の炭酸のように、溶解した二酸化炭素やその他のガスが表面に泡立ち、水を表面に噴出させる可能性がある。昨年のアメリカ地球物理学連合の会議で発表された未発表の研究でも、水は海底からではなく、クレバスの氷が溶けて放出される可能性があることが示唆されている。

「あらゆる可能性が考えられると思います」と中島氏は言う。

ルドルフ氏の研究では、木星の最も有名な衛星の1つであるエウロパも調査された。エウロパには氷の地殻と液体の地下海がある。しかし、エウロパの半径はエンケラドゥスの約5倍で、重力による冷温サイクルはエウロパの厚い地殻を突き破るほど大きくない。

「このモデルがエンケラドゥスを説明できるのに、エウロパは説明できないということに、私は本当に興味をそそられています」と中島氏は言う。

[関連: NASA の次の木星探査ミッションは、エウロパの凍った殻の下で生命の成分を探すことになる]

NASAジェット推進研究所のエウロパ専門家エロディ・ルサージュ氏は、ポピュラーサイエンス誌への電子メールで、木星の衛星に氷火山の直接的な証拠はないが、表面の特定の平野は液体の水が原因の可能性があると述べている。しかし、新たな発見に基づくと、エウロパの潜在的な氷火山は、おそらくエンケラドゥスとはまったく異なる理由で形成されるだろうと彼女は指摘する。「エウロパの海から表面に液体の水が上昇することは考えにくい」と彼女は説明する。代わりに、水の塊が地殻に埋め込まれ、凍り始めると「誰かが冷凍庫に忘れたソーダ缶のように」爆発する可能性がある。

エンケラドゥスは2015年に宇宙探査機カッシーニによって最後に調査され、月面から30マイル上空を飛行した。一方、エウロパの氷の噴出に関するデータは、ほとんどが遠く離れた望遠鏡の画像から得られている。エウロパへの次のミッションは2024年に打ち上げられる予定だ。「そこで何が起こっているのか、まだよくわかっていません」とルドルフ氏は言う。

この違いは、地球外生命体の探索が2つの衛星で別々の方法で行われることを意味している。氷の奥深くに生物が生息しているなら、エンケラドゥスの間欠泉は彼らの世界に直接アクセスできるようだ。一方、エウロパの内部に何があるのか​​は、理解するのがはるかに難しいかもしれない。